Por qué la materia cambia de estado
El hielo se derrite, el agua hierve y el vapor se condensa en el vidrio frío. Los tres estados de la materia y sus cambios se describen en el artículo sobre materiales y materia.
Este artículo responde otra pregunta: por qué ocurren esos cambios. La respuesta está en lo que hacen las partículas que forman la sustancia.
El modelo cinético-molecular
El modelo cinético-molecular parte de una idea sencilla: las partículas de cualquier sustancia están en movimiento continuo. Ese movimiento les da energía cinética.
La fuente llama a ese movimiento la energía cinética de las moléculas. Cuanto mayor es esa energía cinética, más difícil resulta mantenerlas unidas.
Dos fuerzas que compiten
Al mismo tiempo, las partículas se atraen entre sí mediante fuerzas intermoleculares. Esas fuerzas tienden a mantenerlas unidas y ordenadas.
La fase en la que se encuentra una sustancia depende de la magnitud relativa de esas fuerzas de atracción y de la energía cinética de sus partículas. Es la conclusión que plantea la fuente.
No solo la temperatura: también la presión
La fuente lo indica de forma general: las condiciones de temperatura o de presión son las que favorecen los cambios entre las fuerzas de atracción y la energía cinética.
El encendedor desechable es el ejemplo más claro. Dentro de su compartimento, el butano está comprimido a una presión que lo mantiene en estado líquido.
Al salir, la presión disminuye y el butano pasa a gas. Es un cambio de estado producido por la presión, sin que la temperatura varíe.
La comparación que decide el estado
Si la energía cinética es pequeña frente a las fuerzas de atracción, las partículas se quedan en su posición y la sustancia es sólida.
Si la energía cinética gana terreno, las partículas se separan de sus posiciones y se desplazan, pero sin alejarse del todo. Ese es el estado líquido.
Conviene precisar la unidad de los datos siguientes. El mol es la unidad que mide la cantidad de sustancia: cuenta un número fijo y muy grande de partículas.
Cuando una fuente dice que se necesitan tantos kilojulios por mol, indica la energía requerida para una cantidad fija de partículas. Duplicar la cantidad duplica la energía.
Si la energía cinética supera ampliamente las fuerzas de atracción, las partículas se separan y se mueven libremente. Ese es el estado gaseoso.
Los tres estados, explicados por las partículas
| Estado | Qué hacen las partículas | Forma y volumen |
|---|---|---|
| Sólido | Vibran alrededor de posiciones fijas y ordenadas | Forma y volumen propios |
| Líquido | Se desplazan unas sobre otras, sin posición fija | Volumen propio y forma del recipiente |
| Gas | Se mueven libremente y ocupan todo el espacio disponible | Sin forma ni volumen propios |
La tabla explica las propiedades observables sin necesidad de memorizarlas por separado. La forma y el volumen son consecuencia del movimiento de las partículas.
Los cambios de fase y su energía
Para cambiar de estado hay que vencer parcialmente las fuerzas de atracción. Por eso los cambios que separan partículas absorben energía, y son endotérmicos.
La fusión del hielo es un ejemplo. La fuente indica que se trata de un proceso endotérmico y que se necesitan 6,01 kilojulios por mol para fundir hielo a 0 °C.
Los cambios inversos liberan energía en lugar de absorberla. La congelación del agua libera la misma cantidad que absorbió la fusión.
La temperatura se detiene
Aquí aparece el detalle que más se pregunta en los exámenes. Mientras una sustancia está cambiando de estado, su temperatura permanece constante, aunque se le siga aportando calor.
La fuente lo describe así: la temperatura del sólido deja de subir, a pesar del aporte continuo de calor, y se mantiene constante hasta que todo el sólido se ha fundido.
La energía que se aporta durante ese intervalo no se usa en calentar, sino en separar las partículas. Por eso el termómetro no marca cambios.
Cuánta energía hace falta para vaporizar
Separar por completo las partículas de un líquido cuesta más energía que separarlas parcialmente. La vaporización del agua exige alrededor de 44 kilojulios por mol.
Ese valor es mayor que el de la fusión, y la diferencia tiene una consecuencia visible: separar del todo las partículas exige mucho más energía que separarlas a medias.
La fuente describe el proceso inverso con un efecto conocido. Cuando el agua se evapora de la piel, la energía que se lleva el vapor produce un efecto refrescante.
Evaporación y ebullición
En un recipiente cerrado, parte del líquido se evapora y parte del gas se condensa al chocar con la superficie del líquido. Los dos procesos ocurren a la vez.
Cuando la velocidad de condensación se iguala a la de vaporización, la cantidad de líquido y de gas ya no cambia. La fuente llama a esa situación equilibrio dinámico.
Es dinámico porque las partículas siguen intercambiándose entre las dos fases, aunque el resultado neto sea cero. No es que el proceso se detenga.
En ese equilibrio, la presión que ejerce el vapor se mantiene constante. Esa presión es la presión de vapor del líquido a esa temperatura.
La sublimación
Existe un tercer camino: algunas sustancias pasan directamente del estado sólido al gaseoso, sin pasar por el líquido. Ese cambio se llama sublimación.
El proceso ocurre cuando las partículas de la superficie del sólido alcanzan energía suficiente para escapar. En el cambio inverso, el gas vuelve directamente al estado sólido, y ese paso se llama deposición.
El hielo seco es el ejemplo más conocido: a temperatura y presión normales se sublima y parece desaparecer sin formar nunca un líquido.
La nieve y el hielo también subliman a temperaturas por debajo de su punto de fusión. La fuente señala que es un proceso lento, que el viento y las presiones atmosféricas bajas de las grandes altitudes pueden acelerar.
La evaporación no requiere llegar al punto de ebullición
La evaporación ocurre en la superficie a cualquier temperatura, porque siempre hay partículas con energía suficiente para escapar del líquido.
La ebullición es distinta: ocurre en toda la masa del líquido y a una temperatura característica. Por eso el agua hierve a 100 °C en condiciones normales.
Ejercicio resuelto paso a paso
La energía necesaria para fundir hielo
Se funden 2 moles de hielo que están a 0 °C. La fuente indica que la fusión necesita 6,01 kilojulios por mol.
Paso 1. Se identifica el dato por unidad, que son 6,01 kilojulios por cada mol.
Paso 2. Se identifica la cantidad, que son 2 moles de hielo.
Paso 3. Se multiplica: 6,01 por 2 da 12,02 kilojulios.
Paso 4. Se comprueba sumando dos veces el dato unitario: 6,01 más 6,01 da 12,02 kilojulios, la misma cantidad.
Dato adicional. El resultado es energía absorbida, porque la fusión es endotérmica.
El signo que le corresponde es positivo.
La respuesta es que se necesitan 12,02 kilojulios. El procedimiento es el mismo para cualquier cantidad: se multiplica el dato unitario por el número de moles.
Leer la curva de calentamiento
En una tabla se registra la temperatura de un bloque de hielo mientras se calienta de forma constante.
Del minuto 0 al 2 la temperatura sube de −10 °C a 0 °C. Del minuto 2 al 7 se mantiene en 0 °C y del minuto 7 al 11 sube de 0 °C a 20 °C.
Paso 1. Se busca el intervalo de temperatura constante, que va del minuto 2 al minuto 7.
Paso 2. Se calcula su duración restando: 7 menos 2 da 5 minutos.
Paso 3. Se interpreta: durante esos 5 minutos el hielo se estaba fundiendo, y por eso la temperatura no subía.
Paso 4. Se calcula el ascenso posterior del líquido, que va de 0 °C a 20 °C, es decir 20 grados en 4 minutos.
Dato adicional. Al dividir 20 entre 4 se obtiene una velocidad de calentamiento de 5 grados por minuto.
El ejercicio muestra que la energía que entra durante el cambio de fase no aparece en el termómetro. Ahí está la clave del plateau.
Tabla de síntesis: los cambios de fase
| Cambio | De qué a qué | Energía |
|---|---|---|
| Fusión | De sólido a líquido | Absorbe 6,01 kJ por mol en el hielo |
| Vaporización | De líquido a gas | Absorbe alrededor de 44 kJ por mol en el agua |
| Condensación | De gas a líquido | Libera la misma energía que la vaporización |
Los tres cambios dejan ver la misma regla: separar partículas cuesta energía y unirlas la devuelve.
Estrategias para el examen y errores frecuentes
- Recordar que al cambiar la temperatura cambia la energía cinética promedio de las partículas, y que eso no es lo mismo que la energía total.
- No decir que la temperatura sube durante un cambio de fase: permanece constante.
- Distinguir los cambios endotérmicos, que absorben energía, de los exotérmicos, que la liberan.
- No confundir evaporación con ebullición: la primera ocurre en la superficie a cualquier temperatura.
- Retener los dos datos numéricos del hielo y del agua: 6,01 kJ por mol en la fusión y alrededor de 44 kJ por mol en la vaporización.
- Anotar que la energía de la vaporización es mayor que la de la fusión, y por qué.
Conclusión
Los estados de la materia y sus cambios se explican con dos factores: la energía cinética de las partículas y las fuerzas de atracción entre ellas.
Cuando la energía cinética vence, las partículas se separan y la sustancia cambia de estado. Mientras eso ocurre, la temperatura permanece constante porque la energía se emplea en vencer esas fuerzas.
Fuentes de Referencia:
- OpenStax. (s. f.-a). Intermolecular forces. Chemistry 2e. https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/10-1-intermolecular-forces
- OpenStax. (s. f.-b). Phase transitions. Chemistry 2e. https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/10-3-phase-transitions
- OpenStax. (s. f.-c). Properties of liquids. Chemistry 2e. https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/10-2-properties-of-liquids
Sigue estudiando: Clasificando los Métodos de Separación: Aplicaciones Cotidianas e Industriales y Relación entre estructura molecular y comportamiento en el entorno.
